JP2003218111A - 配線構造の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＭＰ法を用いて配線構造を形成するにあた
りディッシング及びエロージョンの発生を抑制すること
ができる配線構造の形成方法を提供する。 【解決手段】 凹部１４以外の箇所のバリヤ層１２が露
出するまで導体層１３を研磨する工程において、凹部１
４以外の箇所のバリヤ層１２を研磨剤に含まれる酸化剤
によって酸化させてその厚みを増大させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置等の配
線構造の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置等の配線構造の形成方法とし
て、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用
いた方法が従来知られている。ＣＭＰ法を用いた配線構
造の形成方法ではまず、図３（ａ）及び図４（ａ）に示
すように凹部２１が形成された絶縁体層２２の上層に導
体層２３を積層形成する。その後、凹部２１以外の箇所
の絶縁体層２２が露出するまでＣＭＰ法で導体層２３を
研磨してやると、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すよう
に絶縁体層２２の凹部２１内に配線部２４を形成するこ
とができる。この方法は、例えば米国特許第６，００
１，７３０号に開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＣＭＰ
法を用いた配線構造の形成方法においては、ディッシン
グ及びエロージョンの問題がある。ディッシングとは、
導体層２３が過剰に研磨されることによって、図３
（ｂ）に示すように絶縁体層２２の表面に比べて配線部
２４が後退する現象をいう。またエロージョンとは、図
４（ｂ）に示すように、凹部２１が密に形成された領域
において、隣り合う凹部２１間の絶縁体層２２が研磨さ
れることによって該領域が他の領域に比べて後退する現
象をいう。これらの現象が発生すると、配線部２４の断
面積が小さくなるために配線抵抗が増大するほか、ウエ
ハ表面の平坦性が低下するために多層化が困難になると
いった不具合が生じる。このため、ディッシング及びエ
ロージョンの発生を抑制することのできる配線構造の形
成方法の確立が切望されている。

【０００４】本発明は、上記のような従来技術に存在す
る問題点に着目してなされたものである。その目的とす
るところは、ＣＭＰ法を用いて配線構造を形成するにあ
たりディッシング及びエロージョンの発生を抑制するこ
とができる配線構造の形成方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明は、凹部が形成された絶縁
体層の上層に第１金属層を形成した後、少なくとも前記
凹部が完全に埋まるように前記第１金属層の上層に第２
金属層を形成する第１の工程と、前記凹部以外の箇所の
第１金属層が露出するまで前記第２金属層を研磨する第
２の工程と、前記凹部以外の箇所の絶縁体層が露出する
まで前記第１金属層を研磨する第３の工程とを含む配線
構造の形成方法において、前記第２の工程において、研
磨剤に含まれる酸化剤によって前記凹部以外の箇所の第
１金属層を酸化させてその厚みを増大させるようにした
ことを要旨とする。

【０００６】請求項２に記載の発明は、凹部が形成され
た絶縁体層の上層に第１金属層を形成した後、少なくと
も前記凹部が完全に埋まるように前記第１金属層の上層
に第２金属層を形成する第１の工程と、前記凹部以外の
箇所の第１金属層が露出するまで前記第２金属層を研磨
する第２の工程と、前記凹部以外の箇所の絶縁体層が露
出するまで前記第１金属層を研磨する第３の工程とを含
む配線構造の形成方法において、前記第２の工程後のデ
ィッシング量から前記第３の工程後のディッシング量を
減じた値が、前記第２の工程前における前記凹部以外の
箇所の第１金属層の厚みよりも大きいことを要旨とす
る。

【０００７】請求項３に記載の発明は、請求項１又は請
求項２に記載の配線構造の形成方法において、前記第２
の工程における第２金属層の研磨速度が、同工程におけ
る第１金属層の研磨速度の５００倍以上であることを要
旨とする。

【０００８】請求項４に記載の発明は、請求項１から請
求項３のいずれか一項に記載の配線構造の形成方法にお
いて、前記第３の工程における第１金属層の研磨速度
が、同工程における第２金属層の研磨速度の５倍以上で
あることを要旨とする。

【０００９】請求項５に記載の発明は、請求項１から請
求項４のいずれか一項に記載の配線構造の形成方法にお
いて、前記第１金属層がタンタル又は窒化タンタルであ
って、前記第２金属層が銅であることを要旨とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を半導体装置におけ
る配線構造の形成方法に具体化した実施形態について図
面に基づき説明する。

【００１１】図１（ａ）〜（ｃ）及び図２（ａ）〜
（ｃ）は、本実施形態における配線構造の形成手順を模
式的に示す図である。これらの図に従って配線構造の形
成方法を簡単に説明すると、まず図１（ａ）及び図２
（ａ）に示すように、半導体基板（図示せず）上の絶縁
体層１１の上層に、タンタルからなるバリヤ層１２（第
１金属層）及び銅からなる導体層１３（第２金属層）を
順次積層する〔第１の工程〕。次に導体層１３を研磨し
て、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すようにバリヤ層１
２を露出させる〔第２の工程〕。続いてバリヤ層１２を
研磨して、図１（ｃ）に示すように絶縁体層１１を露出
させる〔第３の工程〕。本実施形態においては、以上の
三工程を順次経ることによって配線構造が形成されるよ
うになっている。

【００１２】＜第１の工程＞まずはじめに、図１（ａ）
及び図２（ａ）に示すように絶縁体層１１の上層にバリ
ヤ層１２及び導体層１３を順次積層する第１の工程につ
いて説明する。

【００１３】第１の工程においてはまず、半導体基板
（図示せず）上の絶縁体層１１に、回路設計に基づく所
定のパターンの凹部１４を形成する。この凹部１４の形
成は、公知のリソグラフィ技術及びエッチング技術によ
って行われる。

【００１４】ここで、前記絶縁体層１１の具体例として
は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用いたＣＶＤ
（Chemical Vapor Deposition）法によって形成される
ＳｉＯ₂膜などが挙げられる。凹部１４が形成される前
の絶縁体層１１の表面は、できるだけ平坦であることが
望ましい。

【００１５】次に、凹部１４が形成された絶縁体層１１
の上層にタンタルからなるバリヤ層１２を形成する。バ
リヤ層１２は例えば、スパッタリング法により形成され
る。バリヤ層１２の厚みは１０〜５０ｎｍ程度が好まし
い。このバリヤ層１２は、後述の導体層１３を構成する
材料（銅）が絶縁体層１１に拡散するのを防止すること
を主な目的として形成される。

【００１６】そして最後に、少なくとも凹部１４が完全
に埋まるように銅からなる導体層１３をバリヤ層１２の
上層に形成して第１の工程は終了する。導体層１３は例
えば、スパッタリング法又はメッキ法により形成され
る。導体層の厚みは３００〜２０００ｎｍ程度が好まし
い。

【００１７】＜第２の工程＞次に、導体層１３を研磨し
て、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すようにバリヤ層１
２を露出させる第２の工程について説明する。

【００１８】第２の工程においては、凹部１４以外の箇
所のバリヤ層１２が露出するまでＣＭＰ法によって導体
層１３の銅を研磨して、絶縁体層１１の凹部１４内に配
線部１５を形成する。ＣＭＰ法による研磨加工は例え
ば、ウエハを研磨ヘッドに取り付けてターンテーブル上
の研磨パッドに対し一定の圧力で押し付け、それぞれを
回転させながら研磨パッド上に供給されるスラリー状の
研磨剤によって研磨するといった態様で行なわれる。

【００１９】この第２の工程で用いられる研磨剤には酸
化剤が含有されている。このため、導体層１３の研磨に
よって凹部１４以外の箇所のバリヤ層１２が露出して、
そのバリヤ層１２に研磨剤が接すると、該バリヤ層１２
を構成しているタンタルが酸化されて比体積の大きい酸
化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）に変化し、その結果、凹部１４
以外の箇所のバリヤ層１２の厚みが増大する。凹部１４
以外の箇所のバリヤ層１２の厚みが増大すると、研磨加
工の際に配線部１５に加わる圧力（研磨圧力）が低減さ
れるため、配線部１５の過剰な研磨が抑制され、その結
果、ディッシングの発生が抑制されることになる。ま
た、凹部１４が密に形成された領域（高密度配線領域）
では、隣り合う凹部１４間のバリヤ層１２及び絶縁体層
１１に加わる圧力（研磨圧力）が低減されるため、該領
域の過剰な研磨が抑制され、その結果、エロージョンの
発生が抑制されることになる。

【００２０】なお、研磨剤に含有される酸化剤の具体例
としては、過酸化水素、尿素、過塩素酸、塩素酸、過ヨ
ウ素酸、ヨウ素酸などが挙げられるが、その種類は特に
限定されない。

【００２１】この第２の工程における導体層１３の研磨
速度は、同工程におけるバリヤ層１２の研磨速度の５０
０倍以上であることが好ましい。すなわち、タンタル
（バリヤ層１２）の研磨速度に対する銅（導体層１３）
の研磨速度の比が５００以上の研磨剤を使用することが
好ましい。

【００２２】＜第３の工程＞次に、バリヤ層１２を研磨
して、図１（ｃ）及び図２（ｃ）に示すように絶縁体層
１１を露出させる第３の工程について説明する。

【００２３】第３の工程においては、凹部１４以外の箇
所の絶縁体層１１が露出するまでＣＭＰ法によってバリ
ヤ層１２を研磨して、ウエハの表面を平坦化する。ＣＭ
Ｐ法による研磨加工の態様は、上記第２の工程の場合と
ほぼ同様である。ただし、第３の工程においては、バリ
ヤ層１２の研磨速度が配線部１５（導体層１３）の研磨
速度の５倍以上であることが好ましい。すなわち、銅
（配線部１５）の研磨速度に対するタンタル（バリヤ層
１２）の研磨速度の比が５以上の研磨剤を使用すること
が好ましい。

【００２４】本実施形態によって得られる効果につい
て、以下に記載する。 ・ 本実施形態によれば、第２の工程において凹部１４
以外の箇所のバリヤ層１２の厚みが増大することによっ
て配線部１５の過剰な研磨が抑制されるので、ディッシ
ングの発生を抑制することができる。

【００２５】・ 本実施形態によれば、第２の工程にお
いて凹部１４以外の箇所のバリヤ層１２の厚みが増大す
ることによって高密度配線領域の過剰な研磨が抑制され
るので、エロージョンの発生を抑制することができる。

【００２６】・ バリヤ層１２の厚みの増大に起因する
ディッシング及びエロージョンの抑制効果を効果的に発
揮するためには、第２の工程でバリヤ層１２が研磨され
るのを抑制することが肝要である。第２の工程における
導体層１３の研磨速度が同工程におけるバリヤ層１２の
研磨速度の５００倍以上であれば、第２の工程でバリヤ
層１２が研磨されるのを効果的に抑制することができ、
バリヤ層１２の厚みの増大に起因するディッシング及び
エロージョンの抑制効果を効果的に発揮することができ
る。

【００２７】・ 第３の工程におけるバリヤ層１２の研
磨速度が同工程における配線部１５（導体層１３）の研
磨速度の５倍以上であれば、第３の工程で配線部１５が
研磨されることによってディッシングが進行するのを抑
制することができる。

【００２８】・ 電気抵抗の小さい銅によって配線部１
５を形成しているため、配線抵抗を小さくすることがで
きる。 ・ 配線部１５（導体層１３）と絶縁体層１１の間にタ
ンタルからなるバリヤ層１２が介在しているので、配線
部１５（導体層１３）を構成する銅が絶縁体層１１に拡
散するのを防止することができる。

【００２９】なお、前記実施形態を次のように変更して
構成することもできる。 ・ バリヤ層１２を窒化タンタル又は窒化チタンで形成
するように変更してもよい。

【００３０】・ 導体層１３をアルミニウム若しくはア
ルミニウム合金、又はタングステン若しくはタングステ
ン合金で形成するように変更してもよい。ただし、その
場合には、第１金属層をチタン又は窒化チタンで形成す
るように併せて変更することが好ましい。なお、アルミ
ニウム合金の例としてはアルミニウム−銅合金、アルミ
ニウム−ケイ素−銅合金などが挙げられる。

【００３１】

【実施例】次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさ
らに具体的に説明する。 ＜実施例１＞凹部が形成された絶縁体層の上層にバリヤ
層（タンタル；層厚２５ｎｍ）及び導体層（銅；層厚１
０００ｎｍ）が順次積層されたテストウエハ（８５４パ
ターンウエハ；インターナショナル・セマテック社製）
を用意した。そして、このテストウエハに対して、バリ
ヤ層が露出するまで導体層を研磨する一段目の研磨加工
を行なった後、続いて絶縁体層が露出するまでバリヤ層
を研磨する二段目の研磨加工を行なった。なお、一段目
及び二段目の研磨加工の研磨条件はそれぞれ下記の
１）、２）の通りである。

【００３２】１）一段目の研磨加工の研磨条件 研磨機：Ｍｉｒｒａ（アプライドマテリアルズ社製）、
研磨パッド：ＩＣ１０００（ロデール社製）、ターンテ
ーブル回転速度：１００ｒｐｍ、研磨ヘッド回転速度：
１００ｒｐｍ、研磨圧力：２ｐｓｉ（≒１３．８ｋＰ
ａ）、研磨剤供給速度：２００ｍｌ／ｍｉｎ なお、研磨剤としては、砥粒（コロイダルシリカ）、酸
化剤（過酸化水素）、キレート剤及び保護膜形成剤を含
有する研磨剤を使用した。この研磨剤は、銅の研磨速度
が５００ｎｍ／ｍｉｎ、タンタルの研磨速度が１ｎｍ／
ｍｉｎであって、タンタルの研磨速度に対する銅の研磨
速度の比は５００である。

【００３３】２）二段目の研磨加工の研磨条件 研磨機：Ｍｉｒｒａ（アプライドマテリアルズ社製）、
研磨パッド：ＩＣ１０００（ロデール社製）、ターンテ
ーブル回転速度：１００ｒｐｍ、研磨ヘッド回転速度：
１００ｒｐｍ、研磨圧力：３ｐｓｉ（≒２０．７ｋＰ
ａ）、研磨剤供給速度：２００ｍｌ／ｍｉｎ なお、研磨剤としては、砥粒（コロイダルシリカ）、加
工促進剤（酸）、保護膜形成剤及びｐＨ調整剤を含有す
る研磨剤を使用した。この研磨剤は、銅の研磨速度が１
０ｎｍ／ｍｉｎ、タンタルの研磨速度が１００ｎｍ／ｍ
ｉｎであって、銅の研磨速度に対するタンタルの研磨速
度の比は１０である。

【００３４】一段目の研磨加工終了後にウエハの断面を
観察し、凹部以外の箇所のバリヤ層の厚みを計測したと
ころ４０ｎｍであった。すなわち、一段目の研磨加工前
の厚み（２５ｎｍ）に比べて厚みが増大していた。

【００３５】一方、一段目の研磨加工終了後にウエハの
低密度配線領域（凹部が疎に形成された領域）でディッ
シング量Ｄ′（図１（ｂ）参照）を触針式プロファイラ
を使って計測したところ８０ｎｍであった。また、高密
度配線領域（凹部が密に形成された領域）でディッシン
グ量Ｄ′（図２（ｂ）参照）とエロージョン量Ｅ′（図
２（ｂ）参照）の和を触針式プロファイラを使って計測
すると８０ｎｍであった。

【００３６】これに対し、二段目の研磨加工終了後にウ
エハの低密度配線領域でディッシング量Ｄ（図１（ｃ）
参照）を計測すると４０ｎｍであった。また、高密度配
線領域でディッシング量Ｄ（図２（ｃ）参照）とエロー
ジョン量Ｅ（図２（ｃ）参照）の和を計測すると４０ｎ
ｍであった。

【００３７】＜実施例２〜７及び比較例１＞実施例１に
おいて一段目の研磨加工で使用される研磨剤のタンタル
の研磨速度に対する銅の研磨速度の比（選択比Ａ）、及
び二段目の研磨加工で使用される研磨剤の銅の研磨速度
に対するタンタルの研磨速度の比（選択比Ｂ）をそれぞ
れ下記表１に示すように変更した。それ以外については
実施例１と同様にして、テストウエハに対して一段目の
研磨加工及び二段目の研磨加工を順次行なった。なお、
選択比Ａ、Ｂの調整は、研磨剤に含まれる各成分の含有
量を増減させることによって実現した。

【００３８】そして、各例において、一段目の研磨加工
終了後における凹部以外の箇所のバリヤ層の厚み、一段
目の研磨加工終了後の低密度配線領域におけるディッシ
ング量Ｄ′、同高密度配線領域におけるディッシング量
Ｄ′とエロージョン量Ｅ′の和、二段目の研磨加工終了
後の低密度配線領域におけるディッシング量Ｄ、同高密
度配線領域におけるディッシング量Ｄとエロージョン量
Ｅの和をそれぞれ計測した。その結果を、実施例１の結
果と併せて下記表１に示す。

【００３９】

【表１】 表１に示すように、一段目の研磨加工終了後にバリヤ層
の厚みに増大が認められた実施例１〜７では、バリヤ層
の厚みが増大しなかった比較例１に比べて、Ｄ及びＤ＋
Ｅの値とも減少する結果が得られた。以上の結果から、
一段目の研磨加工において凹部以外の箇所のバリヤ層の
厚みを増大させることによって、ディッシング及びエロ
ージョンの発生を抑制できることが示唆される。

【００４０】なお表１に示すように、実施例１〜７の場
合はいずれも、Ｄ′からＤを減じた値とＤ′＋Ｅ′から
Ｄ＋Ｅを減じた値がともに、一段目の研磨加工前のバリ
ヤ層の厚み（２５ｎｍ）よりも大きいのに対し、比較例
１の場合は、それらの値がともに２５ｎｍよりも小さく
なっている。

【００４１】次に、前記実施形態から把握できる技術的
思想について以下に記載する。・ 請求項１から請求項
５に記載の配線構造の形成方法によって形成される配線
構造を有する半導体装置。

【００４２】・ 凹部が形成された絶縁体層の上層に第
１金属層を形成した後、少なくとも前記凹部が完全に埋
まるように前記第１金属層の上層に第２金属層を形成す
る第１の工程と、前記凹部以外の箇所の第１金属層が露
出するまで前記第２金属層を研磨する第２の工程と、前
記凹部以外の箇所の絶縁体層が露出するまで前記第１金
属層を研磨する第３の工程とを含む半導体装置の製造方
法において、前記第２の工程において、研磨剤に含まれ
る酸化剤によって前記凹部以外の箇所の第１金属層を酸
化させてその厚みを増大させるようにしたことを特徴と
する半導体装置の製造方法。

【００４３】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成されている
ため、次のような効果を奏する。請求項１及び請求項２
に記載の発明によれば、ＣＭＰ法を用いて配線構造を形
成するにあたりディッシング及びエロージョンの発生を
抑制することができる。

【００４４】請求項３に記載の発明によれば、請求項１
又は請求項２に記載の発明の効果に加え、凹部以外の箇
所の第１金属層の厚みの増大に起因するディッシング及
びエロージョンの抑制効果を効果的に発揮することがで
きる。

【００４５】請求項４に記載の発明によれば、請求項１
から請求項３のいずれか一項に記載の発明の効果に加
え、第３の工程でディッシングが進行するのを抑制する
ことができる。

【００４６】請求項５に記載の発明によれば、請求項１
から請求項４のいずれか一項に記載の発明の効果に加
え、配線抵抗を小さくすることができるとともに、絶縁
体層に銅が拡散するのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態の配線構造の形成手順を模式的に示
すための低密度配線領域におけるウエハの積層方向断面
図。

【図２】 実施形態の配線構造の形成手順を模式的に示
すための高密度配線領域におけるウエハの積層方向断面
図。

【図３】 従来の配線構造の形成手順を模式的に示すた
めの低密度配線領域におけるウエハの積層方向断面図。

【図４】 従来の配線構造の形成手順を模式的に示すた
めの高密度配線領域におけるウエハの積層方向断面図。

【符号の説明】

１１…絶縁体層、１２…第１金属層としてのバリヤ層、
１３…第２金属層としての導体層、１４…凹部。

フロントページの続き (72)発明者 ポール レフェイヴィ アメリカ合衆国 12533 ニューヨーク州 ホープウェル ジェット アスペン ロ ード 16 Ｆターム(参考） 5F033 HH08 HH09 HH11 HH21 HH22 HH32 HH33 MM01 MM12 MM13 PP15 PP27 QQ48 RR03 RR04 SS04 SS11 WW00 XX01 XX10 XX28

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹部が形成された絶縁体層の上層に第１
   金属層を形成した後、少なくとも前記凹部が完全に埋ま
   るように前記第１金属層の上層に第２金属層を形成する
   第１の工程と、 前記凹部以外の箇所の第１金属層が露出するまで前記第
   ２金属層を研磨する第２の工程と、 前記凹部以外の箇所の絶縁体層が露出するまで前記第１
   金属層を研磨する第３の工程とを含む配線構造の形成方
   法において、 前記第２の工程において、研磨剤に含まれる酸化剤によ
   って前記凹部以外の箇所の第１金属層を酸化させてその
   厚みを増大させるようにしたことを特徴とする配線構造
   の形成方法。
2. 【請求項２】 凹部が形成された絶縁体層の上層に第１
   金属層を形成した後、少なくとも前記凹部が完全に埋ま
   るように前記第１金属層の上層に第２金属層を形成する
   第１の工程と、 前記凹部以外の箇所の第１金属層が露出するまで前記第
   ２金属層を研磨する第２の工程と、 前記凹部以外の箇所の絶縁体層が露出するまで前記第１
   金属層を研磨する第３の工程とを含む配線構造の形成方
   法において、 前記第２の工程後のディッシング量から前記第３の工程
   後のディッシング量を減じた値が、前記第２の工程前に
   おける前記凹部以外の箇所の第１金属層の厚みよりも大
   きいことを特徴とする配線構造の形成方法。
3. 【請求項３】 前記第２の工程における第２金属層の研
   磨速度が、同工程における第１金属層の研磨速度の５０
   ０倍以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２
   に記載の配線構造の形成方法。
4. 【請求項４】 前記第３の工程における第１金属層の研
   磨速度が、同工程における第２金属層の研磨速度の５倍
   以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のい
   ずれか一項に記載の配線構造の形成方法。
5. 【請求項５】 前記第１金属層がタンタル又は窒化タン
   タルであって、前記第２金属層が銅であることを特徴と
   する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の配線
   構造の形成方法。